Polityka prywatności - poznaj szczegóły » [ X ]
PODZIEL SIĘ


OCEŃ
5.0

Jak działa motocykl: cylindry, tłoki, korbowody

Zanim iskra spowoduje zapłon, który podniesie temperaturę w cylindrze do około 2000°C, mieszanka przy końcu procesu sprężania rozgrzewa się do około 500°C. A do tego po wybuchu mieszanki na tłoki działa ciśnienie około 100 barów. Tak może być w piekle. 

Kształt komory spalania, skład i ilość mieszanki oraz moment zapłonu muszą być tak dobrane, żeby mieszanka paliwowo-powietrzna spalała się w kontrolowany sposób. Podczas pracy na pełnym obciążeniu stop aluminium, z którego wykonano tłok, rozgrzewa się do ponad 300°C. To ciepło jest odbierane dwiema drogami: za pomocą pierścieni do otoczonej płaszczem wodnym ścianki cylindra oraz przez olej silnikowy natryskiwany od wewnętrznej strony na denko tłoka.

Spalanie stukowe, czyli niekontrolowany proces spalania mieszanki, rozpoczyna nie iskra, lecz zaczyna się ono samoczynnie. W jego następstwie silnie rosną temperatura i ciśnienie w komorze spalania. Może to spowodować nawet zniszczenie silnika. To zjawisko może wystąpić, gdy źle dobrano stopień sprężania (jest za wysoki), moment zapłonu lub paliwo (za niska liczba oktanowa). Wskutek spalania stukowego topią się brzegi aluminiowego tłoka lub środkowa część denka.

Jednak z drugiej strony producenci stosują możliwie najwyższy stopień sprężania. Chodzi o uzyskanie większej mocy i redukcję zużycia paliwa. Dość często stosuje się czujniki spalania stukowego, które w razie konieczności regulują moment zapłonu. W celu uzyskania stosunkowo krótkiej drogi płomienia, w jedno- lub dwucylindrowych silnikach o dużej pojemności często stosuje się dwie świece zapłonowe, żeby mieszanka uległa całkowitemu spaleniu.

Wyciskacz pomoże

Wykorzystanie całej mieszanki w komorze spalania może wspomagać tzw. wyciskacz. Jest to objętość najczęściej o kształcie pierścienia położonego na obwodzie komory spalania. Tłok, zbliżając się do głowicy, wytłacza z niej resztkę mieszanki ku środkowi komory spalania, tak aby i ona została spalona. W tuningowanych silnikach wysokość wyciskacza może być tak mała, że przy najwyższych prędkościach obrotowych tłok może lekko uderzać w głowicę, co oczywiście jej szkodzi. W sporcie ten element się pomija.

Ponadto, szczególnie przy pełnym obciążeniu silnika, mieszanka wypełniająca wyciskacz hamuje tłok zbliżający się do głowicy. W silnikach wyścigowych odległość między tłokiem a głowicą przyjmuje wartość od 0,2 do 0,3 mm. W produkcji seryjnej taką precyzję wykonania można osiągnąć tylko dzięki sterowanej komputerowo obróbce komory spalania i tłoka. Podczas zapłonu płomień początkowo rozprzestrzenia się z prędkością 20 do 30 m/s, by następnie przyspieszyć do 200 m/s. W czasie spalania powstaje ciśnienie o wartości 100 barów, które działa na powierzchnię tłoków o średnicy 

80 mm (5027 mm2), jak w silniku BMW S 1000 RR. Oznacza to, że tłoki, sworznie i korbowody są obciążone naciskiem ponad 5 ton. Najwyższe ciśnienie powstaje około 15° po przekroczeniu górnego martwego punktu (GMP). Do tych sił należy dodać siły bezwładności, na jakie są narażone tłoki i korbowody. Przykładowo przy 12 000 obr/min tłok osiąga maksymalną prędkość 110- -130 km/h w połowie skoku i zaraz potem w ciągu niewiele ponad 1/1000 sekundy musi zostać wyhamowany do zera, by następnie przyspieszyć i ponownie uzyskać maksymalną prędkość.

W takiej sytuacji na ważący zaledwie 250 g tłok beemki S 1000 RR działa siła około 6300 N, co odpowiada masie ponad 600 kg, czyli ponad 2500 razy więcej niż wynosi masa własna tłoka. To wystarczający powód, by pracować nad wyprodukowaniem jak najlżejszych tłoków. Zwłaszcza że masy wirujące nie tylko pochłaniają energię, ale też wywołują dość mocne wibracje.

Rozmowy w tłoku

Przekrój cylindra jest idealnie okrągły. Luz między tłokiem a gładzią cylindra w silnikach chłodzonych cieczą wynosi 0,05- -0,08 mm. Aby zmniejszyć tarcie, gładzie cylindrów są pokrywane warstwą niklu i węglika krzemu (Nikasil) o grubości kilku setnych milimetra. Żeliwne cylindry w silnikach motocyklowych są obecnie rzadkością. Ciecz chłodząca omywa górną część cylindra na odcinku zaledwie 1/3 jego wysokości, czyli w obszarze narażonym na bardzo wysokie temperatury.

Dzięki temu redukuje się straty ciepła na ściankach cylindra, które pochłaniają część energii, zmniejszając sprawność silnika i zwiększając zużycie paliwa. Decydujące dla szczelności, zwłaszcza w dolnym i środkowym zakresie obrotów, są pierścienie tłokowe (a szczególnie ich konstrukcja i wykonanie). Kiedyś były one produkowane z żeliwa, dzisiaj stosuje się w zasadzie dwa bardzo cienkie (0,75 mm) pierścienie stalowe o możliwie niewielkim naprężeniu wstępnym.

Niewielka powierzchnia styku zapewnia świetną szczelność. Dzięki niej, mimo wysokich ciśnień w komorze spalania, tylko około 1% spalin przedostaje się do skrzyni korbowej (są to tzw. przedmuchy). W najniżej położonym rowku tłoka znajduje się pierścień olejowy zgarniający. W nowoczesnych silnikach stosuje się często dwa pierścienie zgarniające o grubości zaledwie 0,4 mm. Są one rozdzielone sprężyną taśmową, która przez niewielkie otwory odprowadza nadmiar oleju ze ścianek cylindra do wnętrza tłoka, a tym samym do skrzyni korbowej.

Żeby stawić czoło ekstremalnym ciśnieniom i bardzo wysokim temperaturom, współczesne wysilone silniki mają tłoki o krótkich płaszczach (tzw. tłoki wodzikowe). Aby po nagrzaniu tłok przyjmował kształt walca, w stanie "zimnym" jest owalny i baryłkowaty. Krótkie płaszcze tłoków zapewniają niewielkie tarcie przy dobrym prowadzeniu i zapewniają tym samym cichą pracę silnika pod względem mechanicznym.

Trzeba pamiętać, że krótkie i wąskie płaszcze tłoków muszą przenieść spore obciążenia, bo skośnie położony korbowód dociska je do ścianek cylindra z potężną siłą boczną. Przyjmuje ona wartość od 15 do 25% ciśnienia roboczego. Dlatego w celu redukcji tarcia nie tylko tłoki silników wyścigowych są pokrywane stopem grafitu/węgla.

Ważny skok

O wielkości siły bocznej, oprócz ciśnienia w cylindrze, decyduje stosunek skoku tłoka do długości korbowodu. Im krótszy korbowód, tym większa siła boczna, ponieważ wtedy korbowód bardziej wychyla się poza oś cylindra. W zależności od zastosowania oraz wyznaczonych celów, odpowiednia długość wynika ze stosunku skoku tłoka do długości korbowodu.

Jeśli weźmiemy jako przykład silnik BMW S 1000 RR (skok tłoka 49,7 mm, długość korbowodu 103 mm), wyjdzie nam stosunek o wartości 0,48. W przypadku silnika Kawasaki Z 1000 (skok tłoka 56 mm, długość korbowodu 106,2 mm) wynosi on 0,52. Dla porównania – w silnikach samochodowych ten stosunek ma wartość na poziomie 0,3. To oznacza, że korbowody są w stosunku do skoku znacznie dłuższe, a co za tym idzie cięższe.

Aby tłok poruszał się w cylindrze z możliwie małymi odchyleniami, oś piasty sworznia tłokowego jest przesunięta w stosunku do osi tłoka, tzn. względem kierunku obrotu silnika wyprzedza ją. Minimalizuje to skośne ustawianie się tłoka, którego efektem są uderzenia w ścianki cylindra (powodują one hałas i zwiększają zużycie obu elementów). W silniku Kawasaki Z 1000 to przesunięcie wynosi 0,5 mm.

Korbowody

Budowa korbowodu nie jest zbyt skomplikowana. Od góry patrząc, składa się on z głowy, trzonu oraz stopy korbowodu: najczęściej dwuelementowej. Z jednej strony są to masy wirujące, skoncentrowane wokół stopy korbowodu, z drugiej – masy oscylujące, do których zaliczają się trzon oraz główka. W celu zaoszczędzenia na masie w obrębie elementów oscylujących, główka korbowodu może zostać trapezowo zwężona (patrz zdjęcie u dołu z prawej). W większości produkowanych seryjnie silników nie stosuje się już tulei ślizgowych w główce korbowodu: sworzeń tłoka jest mocowany bezpośrednio w główce.

Czysto teoretycznie takie połączenie należy do najgorszych, niemniej zaskakująco dobrze wypadło ono na długich dystansach, przynajmniej w silnikach czterocylindrowych o dość niewielkich jednostkowych pojemnościach skokowych. Do produkcji korbowodów dla silników wyczynowych często stosuje się stop tytanu, co obniża masę o około 40%. Na kształt korbowodu wpływają materiał, geometria i założenia producenta.

Tak czy inaczej, trzon wszystkich wykonanych ze stali, kutych korbowodów ma profi l dwuteownika. Wyjątkiem były trzonki korbowodów o profilu rombu, stosowane głównie w starszych dwusuwowych silnikach wyścigowych. We frezowanych korbowodach tytanowych przekrój w kształcie litery H, ustawionej wzdłużnie względem osi obrotu, zwiększa wytrzymałość na zginanie. Ten przekrój nie przyjął się w kutych elementach produkowanych seryjnie. O wytrzymałości korbowodu, non stop narażonego na przemian na rozciąganie i ściskanie, decydują materiały oraz proces produkcyjny.

W silnikach generujących duże moce korbowody są w specjalnych matrycach odkuwane ze stali – dla ulepszenia cieplnego. Zachowany zostaje przy tym przebieg włókien materiału, dzięki czemu zmniejsza się niebezpieczeństwo pęknięcia. Stopa korbowodu jest połączona obrotowo z czopem wału korbowego. Osadzone w niej łożysko ślizgowe składa się z dwóch trójwarstwowych półpanewek. Stopa korbowodu jest najczęściej dzielona. Zamyka ją pokrywa korbowodu. Do jej przykręcenia stosuje się śruby o dużej wytrzymałości. Po odkuciu stopa jest najczęściej przecinana i obrabiana razem z korbowodem.

BMW wybrało tzw. łamane stopy korbowodowe. Ich produkcja polega na tym, że po obróbce stopa korbowodu z otworem na łożysko jest łamana w specjalnej maszynie, dzięki czemu obie części stopy, w miejscu złamania, idealnie do siebie przylegają.

Walka z wibracjami

Korbowody i tłoki są ważone, po czym odpowiednio oznaczone przydziela się do konkretnej klasy wagowej. Pomaga to tak dobrać te elementy, aby złagodzić efekty różnic ich masy. Dzięki temu silnik pracuje z mniejszymi wibracjami. 

Motocykl

zobacz galerię

Zobacz również:
Mimo sporych skoków zawieszeń jeżdżą głównie po asfalcie. Mają mocne silniki i 17-calowe koła. Są łatwe w obsłudze, dają masę radości z jazdy i są świetnymi kumplami w podróży.
ZOBACZ WIĘCEJ

Komentarze

 (1)
ZOBACZ KOMENTARZE
ZOBACZ RÓWNIEŻ Zamknij